Michelle Ystad Eriksen，材料化学与能源技术理学硕士
全球营销经理 - HPI - 佐敦工业保护涂料。

高温条件下硅酸锌面临的 3 个主要挑战

上一篇文章讨论了锌在高温条件下的表现，指出了其中存在的 3 个主要挑战：

1. IOZ 涂层通过原电池电化学反应提供防腐保护。与环境温度下的类似条件相比，高温条件下腐蚀速度会加快，从而导致锌被过度消耗和涂层寿命缩短。
   
   
2. 如果温度高于 420°C（锌的熔点），锌会与空气中的氧气发生反应，形成氧化锌。氧化锌不是电活性材料，不能提供电化学腐蚀保护，因而进一步缩短涂层寿命。
   
   
3. 氧化锌比金属锌的体积大，这会让相对较脆的 IOZ 涂层产生细微开裂。由于温度变化或涂层设施中工艺设备的振动和移动，涂层基材会出现一定程度的膨胀和收缩，这也可能会导致细微开裂。任何细微开裂都会增加对金属锌提供电化学保护的需求，从而进一步缩短涂层的使用寿命。

考虑到以上三个挑战，人们往往会选用具有最高锌含量（重量占比达到 85%）的 IOZ 涂料，以大幅增强电化学腐蚀保护并延长涂层使用寿命。为了进一步延长涂层的使用寿命，人们还会借助有机硅树脂或铝有机硅树脂面漆来减少 IOZ 与氧气和湿气的接触。当结构物多是在干燥条件下使用时，这些涂层系统能够达到良好的效果，但在需要循环使用或者湿度过大的区域，此类涂层系统的使用寿命则非常有限。

测试：如何延长涂层的使用寿命？

在为高温应用配制 IOZ 涂料时，消除或降低对于上述挑战的敏感性至关重要。由于不引入合金就无法改变锌的熔化温度，因此我们必须研究其他方法，确定其能否延长涂层的使用寿命。

在评估 IOZ 涂层的性能时，确定必要的锌含量是必不可少的第一步。对于一般性的防腐用途，行业制定了多种标准以定义锌含量与涂层寿命之间的关联性，但这些标准仅适用于不高于 120°C 的温度。当在温度高于 120°C 的环境下使用时，通常会建议使用最高含量的锌以实现最长的涂层寿命。然而，这会引出一个问题，即增加锌含量是否能够真正延长涂层在高温下的使用寿命。

为了检验这一点，我们将具有三种不同锌含量的 IOZ 配方涂料施工到不同的钢板上，并将其在 540°C 的干热环境中暴露七天。通过这种方式来让锌熔化并与大气中的氧气发生反应。然后将钢板放置在盐雾室中六周，以迫使锌提供电化学保护。从图 1 可以看出，在所有的锌含量下都会形成白色锌盐，其成分主要是氧化锌和氯化锌[1]。然而，含 80 wt% 和 85 wt% 锌的钢板同时还产生了红色的氧化铁，这意味着锌无法再为钢板提供电化学腐蚀保护。

结果似乎表明，较高的锌含量在高温环境下会具有较差的性能。如果考虑一下 IOZ 涂层的成分，这一现象也在情理之中，因为较低的锌含量意味着在锌粉之外存在更多的粘合剂和填料，当温度超过锌的熔点时，锌可能会具有更高的防氧化性。

我们想展开更进一步的探索，看看当加热到锌的熔点以上时，是否能够在确保提供电化学腐蚀保护的前提下进一步减少锌的氧化。为了实现这一点，我们在涂层中另外加入了两种原材料：陶瓷微珠和玻璃鳞片。图 2 显示了所形成涂膜的 SEM 图像。

通过用陶瓷微珠填充涂层，锌颗粒间的距离被拉近，即使含量低于正常值，依然能够让锌颗粒间保持金属接触。之所以使用玻璃鳞片则是出于多种原因。它们能够减少锌的氧化。它们还能够为涂层增添屏蔽元素，防止水与锌接触，并且能够减少锌的过度消耗，从而减轻对电化学腐蚀保护的影响。最后，它们能够增加涂层的柔韧度，从而减少锌氧化和体积增加所带来的细微开裂。

图 3 展示的是添加以上原材料的钢板在 540°C 下暴露七天，然后在盐雾中暴露六周之后的表现。与图 1 中的钢板相比，这里的钢板几乎没有产生锌盐，更重要的是，没有看到任何氧化铁的迹象。这意味着 IOZ 能够以更适度的锌消耗量保护钢基材，从而延长产品寿命，即使在锌暴露于高于其熔点的温度之后亦能如此。

“与图 1 中的钢板相比，这里的钢板几乎没有产生锌盐，更重要的是，没有看到任何氧化铁的迹象。”

结论

从上述测试结果显然可以看出，锌含量最低的涂层在 CUI（隔热层下腐蚀）和高温条件下具有更优异的电化学腐蚀保护能力。正如本文和视频中所描述的那样，这是由于玻璃鳞片能够为涂层增添屏蔽元素并防止锌的过度消耗，而陶瓷微珠能够将锌颗粒间的距离拉近，从而确保添加到涂层中的锌能够得到最大限度的利用。

欲了解更多信息，请联系我们的客户服务专员 Kevin：kevin@jotun.com。

参考资料
[1] Zhang, X. G. [1996] Corrosion and Electrochemistry of Zinc。Plenum Press，第 169 页。